基于產(chǎn)品化理念的空間運輸系統(tǒng)高強密度研發(fā)管理研究與實踐

/北京宇航系統(tǒng)工程研究所

上面級是一種由基礎(chǔ)級運載火箭發(fā)射進入地球軌道或準地球軌道，能夠進一步將有效載荷送入預(yù)定工作軌道或預(yù)定空間位置的具有自主獨立性的軌道轉(zhuǎn)移飛行器，具有短期在軌工作、多次啟動、自主飛行、任務(wù)適應(yīng)性好等特點，能夠完成軌道部署、軌道轉(zhuǎn)移等多種任務(wù)，它的發(fā)展水平代表著一個國家自主進入空間的能力。

我國的空間運輸系統(tǒng)發(fā)軔于“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)等國家重大航天任務(wù)，作為現(xiàn)役上面級的主力軍，“遠征”系列上面級是我國空間運輸系統(tǒng)的典型代表。中國運載火箭技術(shù)研究院在短短幾年內(nèi)發(fā)展了“遠征”系列XX-1、XX-2、XX-1A、XX-1S共4個上面級型號，能夠覆蓋目前各種運載能力需求，是具備直接入軌能力、軌道機動部署能力、在軌服務(wù)能力的型號家族，被稱為“太空擺渡車”，承擔(dān)了大量重要的發(fā)射任務(wù)。其需要適應(yīng)多型基礎(chǔ)級火箭、要求多樣的衛(wèi)星/飛船、迥異的任務(wù)剖面，并且往往要在短時間內(nèi)高強度地完成一型上面級的論證、設(shè)計、試驗、生產(chǎn)，產(chǎn)品種類多，技術(shù)復(fù)雜程度高，研制周期和質(zhì)量的保證難度大。面對多樣化的任務(wù)要求和高度密集的發(fā)射需求，如何在現(xiàn)有技術(shù)、管理基礎(chǔ)和生產(chǎn)基礎(chǔ)條件下高效地完成研制、迅速提升能力，解決各方面能力水平與任務(wù)需求的差距，確保研制、發(fā)射任務(wù)的全面成功，對上面級研制隊伍以及研究院傳統(tǒng)型號研制模式都是一個巨大的挑戰(zhàn)。

一、管理創(chuàng)新思路

“遠征”系列上面級從論證階段開始就前瞻性地瞄準了空間運輸?shù)奈磥硇枨螅ㄟ^充分識別領(lǐng)域內(nèi)國際發(fā)展方向及我國的需求，科學(xué)分析發(fā)展軌道轉(zhuǎn)移飛行器所需的能力。但進入空間并駕馭空間是一項艱難而又充滿風(fēng)險的事業(yè)，尤其是要適應(yīng)多個不同的上面級型號并行快速研制和高強密度生產(chǎn)發(fā)射要求，由此帶來高強度研制和高密度發(fā)射的雙重壓力。

針對上面級技術(shù)新、指標(biāo)高、使用環(huán)境復(fù)雜且兼具運載器和空間飛行器特性的技術(shù)特點，以及研制周期短、經(jīng)費緊、用戶多元化和需求差異化的管理特點，型號項目隊伍統(tǒng)籌謀劃各型上面級研制與發(fā)射任務(wù)，創(chuàng)新管理思路，優(yōu)化研制流程，識別管控風(fēng)險，狠抓責(zé)任落實，堅決貫徹產(chǎn)品化設(shè)計思路，實現(xiàn)技術(shù)攻關(guān)和試驗驗證2個維度成果共享，以及實現(xiàn)箭上和地面設(shè)備2個方面的產(chǎn)品化共用。通過持續(xù)開展流程優(yōu)化和領(lǐng)域創(chuàng)新，探索基于產(chǎn)品化的集成研制模式，開創(chuàng)研究院新研系列型號技術(shù)、進度、質(zhì)量、成本以及管理模式的實踐創(chuàng)新，以實現(xiàn)科研生產(chǎn)模式和產(chǎn)品化轉(zhuǎn)型升級，確保設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、飛行一次成功。

“遠征”系列上面級以“自頂向下”與“自底向上”相結(jié)合的方式全面貫徹標(biāo)準化、產(chǎn)品化的科學(xué)管理方法，在各個工作層級都實現(xiàn)了技術(shù)條件及箭上/地面大部分設(shè)備通用化、單機功能配置系列化、分系統(tǒng)按需求組合化，并以此全力促進技術(shù)成熟化、產(chǎn)品貨架化、任務(wù)市場化，進而支撐上面級在多任務(wù)并舉的情況下實現(xiàn)保組織成功、保任務(wù)成功。

以研究院新體系建設(shè)型號研制流程建設(shè)試點為契機，以流程重組為途徑和方法，從傳統(tǒng)迭代式改進的模式中提煉出影響正確性和成熟度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建立面向上面級產(chǎn)品的計劃、經(jīng)費、質(zhì)量等各項管理制度。同時，以人員重組為基礎(chǔ)，健全面向產(chǎn)品的隊伍，明確職責(zé)權(quán)限和考核評價重點，落實組織保障要求，以實現(xiàn)高密度發(fā)射情況下各項工作的順利運轉(zhuǎn)。

二、管理實施方案

1．將上面級型號產(chǎn)品化工作原則納入頂層策劃

將產(chǎn)品化工作原則作為重要的型號管理原則，寫入上面級標(biāo)準化大綱、上面級質(zhì)量保證大綱等頂層綱領(lǐng)性文件中，將產(chǎn)品化要求細化并貫徹到型號工作的各個方面。上面級產(chǎn)品化工作原則包括以下5個方面：

一是在方案設(shè)計中，產(chǎn)品化設(shè)計理念的貫徹要從頂層向下推行，先統(tǒng)一分系統(tǒng)方案，然后統(tǒng)一單機產(chǎn)品。

二是總體及各分系統(tǒng)在方案設(shè)計中要充分貫徹產(chǎn)品化的相關(guān)要求，技術(shù)方案的選擇要具備必要的可擴展性。

三是盡可能借用其他型號產(chǎn)品，并選用型譜產(chǎn)品，技術(shù)方面優(yōu)先與成熟型號、在研型號進行共用。

四是在單機產(chǎn)品設(shè)計要求方面，要綜合考慮不同型號上面級的使用要求，以最大包絡(luò)作為環(huán)境試驗條件，為上面級產(chǎn)品化工作奠定基礎(chǔ)。

五是大力提升試驗測試設(shè)備、地面保障設(shè)備、工裝模具以及研保條件的通用性，做到不同型號上面級使用需求的統(tǒng)籌兼顧。

2．形成專用技術(shù)和管理標(biāo)準，推進產(chǎn)品型譜化

空間運輸系統(tǒng)是宇航領(lǐng)域一個相對獨立的發(fā)展方向，其與運載火箭、衛(wèi)星研制既有許多共同點，又有許多新特點，如果選用原有的適用于運載火箭研制的各種技術(shù)標(biāo)準、研制規(guī)范，就會造成某些方面過度設(shè)計、過度考核，同時存在對有些新要求考慮不夠、實驗考核不充分、資源使用不夠優(yōu)化的問題。堅持產(chǎn)品化發(fā)展思路，通過充分識別在原有體系基礎(chǔ)上的新特點、新需求，推動形成一批適用于上面級的標(biāo)準和規(guī)范，有效地指導(dǎo)上面級的研制工作。

在此基礎(chǔ)上開展整箭級、系統(tǒng)級、單機級、部（組）件級產(chǎn)品型譜建設(shè)，優(yōu)化產(chǎn)品規(guī)格，形成上面級產(chǎn)品型譜，將配套單機產(chǎn)品按照新研產(chǎn)品、改進產(chǎn)品、借用產(chǎn)品分類，明確優(yōu)先選用、借用產(chǎn)品和改進產(chǎn)品的原則，以支撐型號配套產(chǎn)品的選用，切實提高每一型上面級產(chǎn)品的可靠性與經(jīng)濟性。

上面級單機產(chǎn)品配套情況按照3種狀態(tài)進行統(tǒng)計：新研產(chǎn)品，即完全新研制或者在原有產(chǎn)品狀態(tài)基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模更改；改進產(chǎn)品，即在原有產(chǎn)品狀態(tài)基礎(chǔ)上進行較小規(guī)模更改；借用產(chǎn)品，即完全借用其他型號產(chǎn)品或選用型譜產(chǎn)品，無需做任何更改。

3．以“統(tǒng)一技術(shù)要求+模塊化+按需組合”思路牽引構(gòu)型設(shè)計

根據(jù)任務(wù)需求不同，4型上面級將各分系統(tǒng)統(tǒng)一技術(shù)要求按最大包絡(luò)進行設(shè)計和驗證，進而形成模塊化設(shè)計策略，并將上面級產(chǎn)品分為結(jié)構(gòu)模塊、動力模塊、電氣模塊、發(fā)射支持模塊。通過各系統(tǒng)模塊間的靈活組合完成多種功能配置，實現(xiàn)多任務(wù)適應(yīng)能力，一方面有利于集中力量突破關(guān)鍵技術(shù)，提升上面級多任務(wù)適應(yīng)能力及測試覆蓋性，另一方面可通過優(yōu)化研制產(chǎn)品配套，進一步縮短研制周期，降低研制成本。

4．用產(chǎn)品化理念助力型號任務(wù)

上面級進入工程應(yīng)用階段后，工作重心更多地向控制技術(shù)狀態(tài)、組織生產(chǎn)測試、控制產(chǎn)品質(zhì)量、執(zhí)行發(fā)射飛行任務(wù)等方面轉(zhuǎn)移，面臨最突出的困難是4型上面級并行研制、發(fā)射帶來的高強度工作，以及一年內(nèi)多次發(fā)射的飛行任務(wù)，因此需要在有限的資源保障情況下全面完成型號任務(wù)，具體實施方案包括：

一是貫徹產(chǎn)品化要求，大幅減少單機研制數(shù)量和產(chǎn)品質(zhì)量保障的工作量。通過采用單機產(chǎn)品化設(shè)計，XX-2、XX-1A、XX-1S研制過程中沒有大規(guī)模開展單機研制工作，全部采用XX-1初樣試驗件進行試驗，即使是對于有部分變化的單機也不需要開展技術(shù)攻關(guān)，這樣可保證型號項目隊伍將主要精力集中于最需要解決的技術(shù)問題，以便節(jié)約大量研制經(jīng)費，節(jié)省研制周期。

二是通過“新研產(chǎn)品試驗+改進產(chǎn)品分析對比”，有效減少同類試驗項目。產(chǎn)品化順利實施的前提是吃透技術(shù)、吃透狀態(tài)、吃透產(chǎn)品，這樣才能做到借用的產(chǎn)品能適用于新的工作任務(wù)剖面和工作環(huán)境，改進的技術(shù)狀態(tài)能與原有產(chǎn)品平臺有機融合、相互匹配。XX-1研制過程中型號項目隊伍首先強調(diào)了對試驗的認識，通過試驗結(jié)果分析進一步完善上面級的仿真模型和相應(yīng)的仿真分析技術(shù)，并在技術(shù)狀態(tài)變化時具備評估手段，由此能夠在減少同類試驗的情況下仍得出科學(xué)的結(jié)論。

型號項目隊伍依據(jù)所用產(chǎn)品的技術(shù)成熟度，對需要采取試驗方式驗證或數(shù)字化仿真方式分析的項目進行了科學(xué)策劃，組建了計算機輔助分析仿真團隊（CAT）。通過充分利用數(shù)字化仿真手段，先后完成了數(shù)字化熱平衡試驗等共計6項CAT試驗，大量的仿真分析驗證了熱控設(shè)計等10余項設(shè)計的正確性，實現(xiàn)傳統(tǒng)研制模式中只有通過大型地面試驗才能夠達到的目標(biāo)，最大程度節(jié)省研制保障資源，減少產(chǎn)品配套數(shù)量，縮短研制周期，確保首飛成功及計劃節(jié)點的要求。

三是不斷提升產(chǎn)品成熟度，以高質(zhì)量的產(chǎn)品確保任務(wù)成功。通過大力實施產(chǎn)品化工作來促進產(chǎn)品成熟，規(guī)范生產(chǎn)過程，有效提升單機借用程度。不同型號的飛行均增加了單機的飛行子樣，以快速地提升單機產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、使用成熟度，確保新研產(chǎn)品不出現(xiàn)重大反復(fù)，以及成熟產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定、關(guān)鍵環(huán)節(jié)一次通過。XX-1上面級完成試樣研制后的單機產(chǎn)品被XX-2、XX-1A、XX-1S上面級大量借用，經(jīng)過4型上面級的多次飛行任務(wù)考核，目前93%的單機產(chǎn)品已具備了5級成熟度的評定條件。

四是狠抓領(lǐng)域管理創(chuàng)新，優(yōu)化流程。型號項目隊伍以新體系建設(shè)型號研制流程建設(shè)試點型號為契機，圍繞上面級特點狠抓管理創(chuàng)新，開展了研制流程優(yōu)化工作，具體包括：基于集成產(chǎn)品開發(fā)（IPD）流程系統(tǒng)梳理了上面級研制一、二級流程；形成了上面級產(chǎn)品規(guī)格說明書；采用協(xié)同辦公的形式完成了系統(tǒng)間接口的確認、數(shù)字化模裝和結(jié)構(gòu)產(chǎn)品數(shù)字化出圖；開展了上面級飛行剖面分析及試驗流程優(yōu)化；結(jié)合上面級飛行中地面指令參與控制的特點進行了飛行組織模式的分析與論證等工作，逐步推進新研制流程在型號研制過程中的應(yīng)用。

三、實踐效果

“遠征”系列上面級型號深入貫徹產(chǎn)品化理念，在頂層策劃、標(biāo)準規(guī)范、方案設(shè)計、單機研制、設(shè)備通用、人員與資源優(yōu)化配置等各個層面均取得了非常顯著的成果。按照新研產(chǎn)品、改進產(chǎn)品和借用產(chǎn)品3類情況進行統(tǒng)計分析，計算結(jié)果見表1。

表1 “遠征”系列上面級型號產(chǎn)品化程度分析

通過推進“遠征”系列上面級產(chǎn)品化工作，大規(guī)模優(yōu)化精簡了研制工作量，有效地縮短了研制周期，提高了地面設(shè)備等資源的使用效率，大幅度降低了研制成本，顯著地提升了產(chǎn)品可靠性，見表2。

1．規(guī)模優(yōu)化精簡了研制工作量

上面級研制中一直堅決貫徹產(chǎn)品化設(shè)計理念，并立足于成熟型譜產(chǎn)品的研制模式，從總體、分系統(tǒng)、單機幾個層面實現(xiàn)了產(chǎn)品化目標(biāo)，使“遠征”系列上面級的研制工作量得以大幅度優(yōu)化精簡，成為研究院產(chǎn)品化效果最為顯著的典型型號之一。

2．有效縮短了研制周期

上面級型號自立項研制以來，僅用了7年時間就完成了4型系列化上面級的研制及發(fā)射工作，其中XX-1A從立項到飛行演示驗證成功僅用了27個月，XX-1S研制時間更是縮短至24個月。相比于傳統(tǒng)的研制模式，采用產(chǎn)品化策略后，4型上面級的研制周期至少縮短5年時間。

3．大幅提高了地面設(shè)備等資源的使用效率

XX-1上面級地面設(shè)備充分考慮了通用化、系列化、組合化的產(chǎn)品化要求，使得XX-2、XX-1A、XX-1S上面級研制中的試驗項目、流程、產(chǎn)品配套得以優(yōu)化，配套數(shù)量有效減少，進度壓力顯著降低，電氣系統(tǒng)、機械類地面設(shè)備等均實現(xiàn)全部通用，同時試驗的各項保障條件也可實現(xiàn)最大程度的復(fù)用，以有效避免技術(shù)風(fēng)險，大幅降低管理難度。

上面級研制隊伍研究改進了研究院在空間運輸領(lǐng)域的研制組織管理流程和模式，探索并積累了“遠征”系列上面級基于產(chǎn)品化理念實現(xiàn)高強度研制、高密度發(fā)射的重要經(jīng)驗，確保了上面級4種構(gòu)型、10余次發(fā)射的圓滿成功，實現(xiàn)了向空間運輸領(lǐng)域的跨進，為“遠征”系列上面級型號后續(xù)研制工作的管理奠定了一個良好的基礎(chǔ)，同時為其他航天型號推進產(chǎn)品化工作提供了參考和借鑒。